文章目录
- 1.为什么要有动态内存分配
- 2.malloc和free
- 2.1 malloc
- 2.2 free
- 3.calloc和realloc
- 3.1 calloc
- 3.2 realloc
- 4.常见的动态内存的错误
- 4.1 对NULL指针的解引⽤操作
- 4.2 对动态开辟空间的越界访问
- 4.3 对⾮动态开辟内存使⽤free释放
- 4.4 使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分
- 4.5 对同⼀块动态内存多次释放
- 4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
- 5.动态内存经典笔试题分析
- 5.1 题⽬1
- 5.2 题⽬2
- 5.3 题⽬3
- 5.4 题⽬4
- 6.柔性数组
- 6.1 柔性数组的特点
- 6.2 柔性数组的使⽤
- 6.3 柔性数组的优势
- 7.总结C/C++中程序内存区域划分
1.为什么要有动态内存分配
我们已经掌握的内存开辟方式有：
int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间
但是上述的开辟空间的方式有两个特点：
空间开辟大小是固定的。
数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小不能调整
但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。
C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。
2.malloc和free
2.1 malloc
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：
void* malloc (size_t size);
参数
size是你想要分配的内存块的大小，以字节为单位。如果malloc成功分配了内存，它会返回一个指向分配内存块的指针。如果分配失败（比如内存不足），它会返回一个空指针（NULL）。
这个函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。
如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
如果开辟失败，则返回一个
NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。返回值的类型是
void*，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。如果参数
size为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。
参数的单位是字节
申请空间成功的话，返回这块空间的起始地址。
申请失败的话，返回
NULL
#include <stdlib.h>
int main() {
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL) {
//空间开辟失败
perror("malloc");
return 1;
}
//可以使用这40个字节
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++) {
*(p + i) = i + 1;
}
return 0;
}
2.2 free
C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：
void free (void* ptr);
free函数用来释放动态开辟的内存。
如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
举个例子：
#include <stdlib.h>
int main() {
int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
if (p == NULL) {
//空间开辟失败
perror("malloc");
return 1;
}
//可以使用这40个字节
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++) {
*(p + i) = i + 1;
}
//释放
free(p);//p指向的空间不属于当前程序，但还是能找到那个空间，就成了野指针了
//上面就是通过代码的方式释放内存
p = NULL;
return 0;
}
再看个例子：
#include <stdlib.h>
int main() {
int arr[10] = { 0 };
int* p = arr;
free(p);//err
p = NULL;
return 0;
}
这里因为arr不是动态开辟的，所以不能用free释放。
再看个例子：
int main() {
//前面一堆代码
int* p = NULL;
//中间一堆代码
free(p);//什么都不干，因为空指针没有指向有效的空间
p = NULL;
return 0;
}
这里free什么都不干，因为空指针p没有指向有效的空间。
对于
malloc和free最好成对使用。
3.calloc和realloc
3.1 calloc
C语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：
void* calloc (size_t num, size_t size);
函数的功能是为
num个大小为size的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。与函数
malloc的区别只在于calloc会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。
举个例子：
int main() {
//申请10个整型的空间
//malloc(10 * sizeof(int));
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL) {
perror("calloc");
return 1;
}
//使用空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++) {
printf("%d ", p[i]);
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
打印：
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。
3.2 realloc
realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那
realloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
函数原型如下：
void* realloc (void* ptr, size_t size);
-
ptr是要调整的内存地址 -
size调整之后新大小 -
返回值为调整之后的内存起始位置。
-
这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
-
realloc在调整内存空间的是存在两种情况：-
情况1：原有空间之后有足够大的空间
当是情况1 的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
-
情况2：原有空间之后没有足够大的空间
当是情况2 的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：
- 在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址。
- 将旧的数据拷贝到新的空间
- 释放旧的空间
- 返回新的地址
-
int main() {
//申请10个整型的空间
//malloc(10 * sizeof(int));
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL) {
perror("calloc");
return 1;
}
//使用空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++) {
printf("%d ", p[i]);
}
//调整空间 - 希望变成20个整型空间
//最好不要这么写：p = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
//因为realloc可能开辟失败
int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
if (ptr != NULL) {
p = ptr;
}
//使用
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
relloc函数不仅可以调整空间，还可以申请空间。
relloc(NULL, 40);//等价于malloc(40)
4.常见的动态内存的错误
4.1 对NULL指针的解引⽤操作
void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);
}
例如：
int main() {
int* p = malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL) {
perror("malloc");
return 1;
}
//使用空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++) {
p[i] = i;//*(p+i)
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
在使用空间的时候，如果p经过malloc后返回的是空指针，那么就会出现对NULL指针的解引⽤操作。
我们可以在前面添加一段代码，来防止这个情况发生。
int main() {
int* p = malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL) {
perror("malloc");
return 1;
}
//使用空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++) {
p[i] = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
4.2 对动态开辟空间的越界访问
void test()
{
int i = 0;
int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
if(NULL == p)
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
for(i=0; i<=10; i++)
{
*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
}
free(p);
}
或者：
void test()
{
int i = 0;
int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
if(NULL == p)
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
for(i=0; i<=40; i++)//越界访问了，因为上面只分配了10个字节空间
{
p[i] = i;
}
free(p);
}
4.3 对⾮动态开辟内存使⽤free释放
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);//err
}
4.4 使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}
4.5 对同⼀块动态内存多次释放
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}
4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
if(NULL != p)
{
*p = 20;
}
if (flag) {
return;//直接返回主函数了
}
free(p);//并没有执行
p = NULL;
}
int main()
{
test();
while(1);
}
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
而且当时的动态内存的空间是通过局部变量p指针来查找的，返回主函数后我们无法再次找到这个空间。我们这个时候想释放都不能释放了。只有等到主函数结束，我们才能释放这个空间。这个空间实际上我们不需要用到，但是程序只要不停止，我们都无法释放这个空间。这个就叫内存泄漏。
有些游戏的服务器的程序可能一天24小时一直在运行，这个时候动态申请的空间可能就申请申请申请，可能就把内存耗光了。内存耗干了之后程序就挂了，机器就重启了。
动态内存管理是一把双刃剑：
- 它能给我们提供灵活的内存管理方式
- 但也会带来风险
切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。
5.动态内存经典笔试题分析
5.1 题⽬1
void GetMemory(char *p)
{
p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
int main() {
Test();
return 0;
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
一开始，str是存放的NULL，通过GetMemory()函数，我们把NULL传递给了p。
p = (char *)malloc(100);动态分配了100个字节的空间。
我们假设这段空间的起始地址是0x0012ff40，p里面存放的自然就是0x0012ff40这个地址了，因为这样才能访问到这个动态分配的空间。
可是此时，str并没有改变，还是NULL，没有指向有效的空间。
strcpy(str, "hello world");
strcpy想把hello world拷贝到str指向的空间去。但是str是空指针，空指针没有指向任何有效的空间，形成了对空指针的非法访问，而一旦对NULL指针解引用，程序就会崩溃。
而且上面的GetMemory()函数结束的时候没有释放动态内存空间，这就会导致内存泄漏的问题。
我们可以修改一下代码，使其合理：
改法1：
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main() {
Test();
return 0;
}
打印：
hello world
改法2：
char* GetMemory()
{
char* p = (char*)malloc(100);
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main() {
Test();
return 0;
}
打印：
hello world
5.2 题⽬2
char *GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main() {
Test();
return 0;
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
打印随机值。
一开始是这样的。
然后GetMemory()函数返回p的地址后，问题就出现了。
因为GetMemory()函数的空间早就释放了，此时str指向的原来的p的地址可能早就被内存里的某些东西更改过了，此时的str相当于一个野指针。
5.3 题⽬3
void GetMemory(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
int main() {
Test();
return 0;
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
会导致内存泄漏。
5.4 题⽬4
void Test(void)
{
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);//把str指向的空间还给操作系统，无法继续使用了
if(str != NULL)//这个可以判断，因为地址还是那个地址，只是无法使用
{
strcpy(str, "world");//这块空间不属于他了，拷贝不了，形成了非法访问
printf(str);
}
}
int main() {
Test();
return 0;
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
free(str);把str指向的空间还给操作系统，无法继续使用了，str就变成野指针了。
可以在free(str);后面加上一句str = NULL;
6.柔性数组
C99 中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做『柔性数组』成员。
也就是满足：
- 结构体中
- 最后一个元素
- 未知大小的数组
例如：
struct st_type
{
int i;
char c;
int a[0];//柔性数组成员
//这个0也表示数组大小未知。毕竟没有哪个数组的元素个数是0吧。
};
有些编译器会报错无法编译可以改成：
struct st_type
{
int i;
char c;
int a[];//柔性数组成员
};
6.1 柔性数组的特点
结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
sizeof 返回的这种结构大小
不包括柔性数组的内存。包含柔性数组成员的结构用malloc ()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小。
例如：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
return 0;
}
打印：
4
一个int类型的i就占4个字节了，所以a[0]没有计算在里面
6.2 柔性数组的使⽤
代码1：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];
}type_a;
int main()
{
int i = 0;
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);
return 0;
}
这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。
6.3 柔性数组的优势
上述的 type_a 结构也可以设计为下面的结构，也能完成同样的效果。
代码2：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;
}type_a;
int main()
{
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//业务处理
for(i=0; i<100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
上述
代码1和代码2可以完成同样的功能，但是代码1的实现有两个好处：第一个好处是：方便内存释放
如果我们的代码是在一个给别人用的函数中，你在里面做了二次内存分配，并把整个结构体返回给用户。用户调用
free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存一次性分配好了，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次free就可以把所有的内存也给释放掉。第二个好处是：这样有利于访问速度.
连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。（其实也没多高，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）
因为malloc()开辟的空间是连续的，但是malloc()和malloc()之间的那块空间是有间隙的。
这些间隙可能会用不到，叫做内存碎片。
我们也可以用realloc()函数来动态调整柔性数组。
对应上面的代码1:
#include <stdlib.h>
struct S
{
int n;
int arr[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
//这里malloc()开辟了4字节的int n;和80字节的int arr[0];
if (ps == NULL) {
perror("malloc()");
return 1;
}
//使用这些空间
ps->n = 100;
int i = 0;
for (i = 0; i < 20; i++) {
ps->arr[i] = i + 1;
}
//调整ps指向空间的大小
struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 40 * sizeof(int));
//这里用ptr这个新的指针是为了防止realloc()开辟失败，如果用ps来接收的话，
// 开辟失败可能就变成空指针了，里面原来存的东西都没了，所以要新弄个指针来接收
//同时，realloc()调整了原来malloc()的大小
if (ptr != NULL) {
ps = ptr;
ptr = NULL;
}
else {
return 1;
}
//使用刚刚的空间
for (i = 0; i < 40; i++) {
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
//释放空间
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
对应上面的代码2：
struct S
{
int n;
int* arr;
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
if (ps == NULL) {
perror("malloc()");
return 1;
}
int* tmp = (int*)malloc(20 * sizeof(int));
if (tmp!= NULL) {
ps->arr = tmp;
}
else {
return 1;
}
ps->n = 100;
int i = 0;
//给arr中的20个元素赋值为1~20
for (i = 0; i < 20; i++) {
ps->arr[i] = i + 1;
}
//调整空间
tmp = (int*)realloc(ps->arr, 40 * sizeof(int));
if (tmp!= NULL) {
ps->arr = tmp;
}
else {
perror("realloc()");
return 1;
}
for (i = 0; i < 40; i++) {
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
//释放空间
free(ps->arr);
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
7.总结C/C++中程序内存区域划分
C/C++程序内存分配的几个区域：
- 栈区（
stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。《函数栈帧的创建和销毁》- 堆区（
heap）：一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。- 数据段（
静态区）：（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。- 代码段：存放函数体（
类成员函数和全局函数）的二进制代码。
